RMem: An OS Service for Transparent Remote Memory Access in Lightweight Manycores

International audienceLightweight manycores deliver high performance and scal-ability at low power consumption. However, architectural intricacies of these processors impose programmability challenges that keep them away from mass adoption. While several efforts aim at introducing parallel programming environments to lightweight manycores, few initiatives are concerned about how to design rich Operating Systems (OSs) to them. In this work, we focus on the open challenges that arise from constrained memory subsystems of lightweight manycores, such as the presence of multiple address spaces and limited on-chip memory. To cope with transparent data access in this scenario, we introduce an OS service, named RMem. This service provides a shared memory abstraction over multiple address spaces and exposes system calls that enable one-sided communication on top of this abstraction. We implemented a prototype of our service in the Nanvix research OS, and we deployed the system the Kalray MPPA-256 lightweight manycore. Our experimental results with a microbenchmark unveiled that, while exposing an easier-to-program interface, the RMem Service may deliver about 91% of the write performance and up to 2.4× better read performance than the primitives in the libraries of the experimental platform

Transactional and analytical data management on persistent memory

Die zunehmende Anzahl von Smart-Geräten und Sensoren, aber auch die sozialen Medien lassen das Datenvolumen und damit die geforderte Verarbeitungsgeschwindigkeit stetig wachsen. Gleichzeitig müssen viele Anwendungen Daten persistent speichern oder sogar strenge Transaktionsgarantien einhalten. Die neuartige Speichertechnologie Persistent Memory (PMem) mit ihren einzigartigen Eigenschaften scheint ein natürlicher Anwärter zu sein, um diesen Anforderungen effizient nachzukommen. Sie ist im Vergleich zu DRAM skalierbarer, günstiger und dauerhaft. Im Gegensatz zu Disks ist sie deutlich schneller und direkt adressierbar. Daher wird in dieser Dissertation der gezielte Einsatz von PMem untersucht, um den Anforderungen moderner Anwendung gerecht zu werden. Nach der Darlegung der grundlegenden Arbeitsweise von und mit PMem, konzentrieren wir uns primär auf drei Aspekte der Datenverwaltung. Zunächst zerlegen wir mehrere persistente Daten- und Indexstrukturen in ihre zugrundeliegenden Entwurfsprimitive, um Abwägungen für verschiedene Zugriffsmuster aufzuzeigen. So können wir ihre besten Anwendungsfälle und Schwachstellen, aber auch allgemeine Erkenntnisse über das Entwerfen von PMem-basierten Datenstrukturen ermitteln. Zweitens schlagen wir zwei Speicherlayouts vor, die auf analytische Arbeitslasten abzielen und eine effiziente Abfrageausführung auf beliebigen Attributen ermöglichen. Während der erste Ansatz eine verknüpfte Liste von mehrdimensionalen gruppierten Blöcken verwendet, handelt es sich beim zweiten Ansatz um einen mehrdimensionalen Index, der Knoten im DRAM zwischenspeichert. Drittens zeigen wir unter Verwendung der bisherigen Datenstrukturen und Erkenntnisse, wie Datenstrom- und Ereignisverarbeitungssysteme mit transaktionaler Zustandsverwaltung verbessert werden können. Dabei schlagen wir ein neuartiges Transactional Stream Processing (TSP) Modell mit geeigneten Konsistenz- und Nebenläufigkeitsprotokollen vor, die an PMem angepasst sind. Zusammen sollen die diskutierten Aspekte eine Grundlage für die Entwicklung noch ausgereifterer PMem-fähiger Systeme bilden. Gleichzeitig zeigen sie, wie Datenverwaltungsaufgaben PMem ausnutzen können, indem sie neue Anwendungsgebiete erschließen, die Leistung, Skalierbarkeit und Wiederherstellungsgarantien verbessern, die Codekomplexität vereinfachen sowie die ökonomischen und ökologischen Kosten reduzieren.The increasing number of smart devices and sensors, but also social media are causing the volume of data and thus the demanded processing speed to grow steadily. At the same time, many applications need to store data persistently or even comply with strict transactional guarantees. The novel storage technology Persistent Memory (PMem), with its unique properties, seems to be a natural candidate to meet these requirements efficiently. Compared to DRAM, it is more scalable, less expensive, and durable. In contrast to disks, it is significantly faster and directly addressable. Therefore, this dissertation investigates the deliberate employment of PMem to fit the needs of modern applications. After presenting the fundamental work of and with PMem, we focus primarily on three aspects of data management. First, we disassemble several persistent data and index structures into their underlying design primitives to reveal the trade-offs for various access patterns. It allows us to identify their best use cases and vulnerabilities but also to gain general insights into the design of PMem-based data structures. Second, we propose two storage layouts that target analytical workloads and enable an efficient query execution on arbitrary attributes. While the first approach employs a linked list of multi-dimensional clustered blocks that potentially span several storage layers, the second approach is a multi-dimensional index that caches nodes in DRAM. Third, we show how to improve stream and event processing systems involving transactional state management using the preceding data structures and insights. In this context, we propose a novel Transactional Stream Processing (TSP) model with appropriate consistency and concurrency protocols adapted to PMem. Together, the discussed aspects are intended to provide a foundation for developing even more sophisticated PMemenabled systems. At the same time, they show how data management tasks can take advantage of PMem by opening up new application domains, improving performance, scalability, and recovery guarantees, simplifying code complexity, plus reducing economic and environmental costs

Erreichen von Performance in Netzwerken-On-Chip für Echtzeitsysteme

In many new applications, such as in automatic driving, high performance requirements have reached safety critical real-time systems. Consequently, Networks-on-Chip (NoCs) must efficiently host new sets of highly dynamic workloads e.g., high resolution sensor fusion and data processing, autonomous decision’s making combined with machine learning. The static platform management, as used in current safety critical systems, is no more sufficient to provide the needed level of service. A dynamic platform management could meet the challenge, but it usually suffers from a lack of predictability and the simplicity necessary for certification of safety and real-time properties. In this work, we propose a novel, global and dynamic arbitration for NoCs with real-time QoS requirements. The mechanism decouples the admission control from arbitration in routers thereby simplifying a dynamic adaptation and real-time analysis. Consequently, the proposed solution allows the deployment of a sophisticated contract-based QoS provisioning without introducing complicated and hard to maintain schemes, known from the frequently applied static arbiters. The presented work introduces an overlay network to synchronize transmissions using arbitration units called Resource Managers (RMs), which allows global and work-conserving scheduling. The description of resource allocation strategies is supplemented by protocol design and verification methodology bringing adaptive control to NoC communication in setups with different QoS requirements and traffic classes. For doing that, a formal worst-case timing analysis for the mechanism has been proposed which demonstrates that this solution not only exposes higher performance in simulation but, even more importantly, consistently reaches smaller formally guaranteed worst-case latencies than other strategies for realistic levels of system's utilization. The approach is not limited to a specific network architecture or topology as the mechanism does not require modifications of routers and therefore can be used together with the majority of existing manycore systems. Indeed, the evaluation followed using the generic performance optimized router designs, as well as two systems-on-chip focused on real-time deployments. The results confirmed that the proposed approach proves to exhibit significantly higher average performance in simulation and execution.In vielen neuen sicherheitskritische Anwendungen, wie z.B. dem automatisierten Fahren, werden große Anforderungen an die Leistung von Echtzeitsysteme gestellt. Daher müssen Networks-on-Chip (NoCs) neue, hochdynamische Workloads wie z.B. hochauflösende Sensorfusion und Datenverarbeitung oder autonome Entscheidungsfindung kombiniert mit maschineller Lernen, effizient auf einem System unterbringen. Die Steuerung der zugrunde liegenden NoC-Architektur, muss die Systemsicherheit vor Fehlern, resultierend aus dem dynamischen Verhalten des Systems schützen und gleichzeitig die geforderte Performance bereitstellen. In dieser Arbeit schlagen wir eine neuartige, globale und dynamische Steuerung für NoCs mit Echtzeit QoS Anforderungen vor. Das Schema entkoppelt die Zutrittskontrolle von der Arbitrierung in Routern. Hierdurch wird eine dynamische Anpassung ermöglicht und die Echtzeitanalyse vereinfacht. Der Einsatz einer ausgefeilten vertragsbasierten Ressourcen-Zuweisung wird so ermöglicht, ohne komplexe und schwer wartbare Mechanismen, welche bereits aus dem statischen Plattformmanagement bekannt sind einzuführen. Diese Arbeit stellt ein übergelagertes Netzwerk vor, welches Übertragungen mit Hilfe von Arbitrierungseinheiten, den so genannten Resource Managern (RMs), synchronisiert. Dieses überlagerte Netzwerk ermöglicht eine globale und lasterhaltende Steuerung. Die Beschreibung verschiedener Ressourcenzuweisungstrategien wird ergänzt durch ein Protokolldesign und Methoden zur Verifikation der adaptiven NoC Steuerung mit unterschiedlichen QoS Anforderungen und Verkehrsklassen. Hierfür wird eine formale Worst Case Timing Analyse präsentiert, welche das vorgestellte Verfahren abbildet. Die Resultate bestätitgen, dass die präsentierte Lösung nicht nur eine höhere Performance in der Simulation bietet, sondern auch formal kleinere Worst-Case Latenzen für realistische Systemauslastungen als andere Strategien garantiert. Der vorgestellte Ansatz ist nicht auf eine bestimmte Netzwerkarchitektur oder Topologie beschränkt, da der Mechanismus keine Änderungen an den unterliegenden Routern erfordert und kann daher zusammen mit bestehenden Manycore-Systemen eingesetzt werden. Die Evaluierung erfolgte auf Basis eines leistungsoptimierten Router-Designs sowie zwei auf Echtzeit-Anwendungen fokusierten Platformen. Die Ergebnisse bestätigten, dass der vorgeschlagene Ansatz im Durchschnitt eine deutlich höhere Leistung in der Simulation und Ausführung liefert

Consensus protocols exploiting network programmability

Services rely on replication mechanisms to be available at all time. The service demanding high availability is replicated on a set of machines called replicas. To maintain the consistency of replicas, a consensus protocol such as Paxos or Raft is used to synchronize the replicas' state. As a result, failures of a minority of replicas will not affect the service as other non-faulty replicas continue serving requests. A consensus protocol is a procedure to achieve an agreement among processors in a distributed system involving unreliable processors. Unfortunately, achieving such an agreement involves extra processing on every request, imposing a substantial performance degradation. Consequently, performance has long been a concern for consensus protocols. Although many efforts have been made to improve consensus performance, it continues to be an important problem for researchers. This dissertation presents a novel approach to improving consensus performance. Essentially, it exploits the programmability of a new breed of network devices to accelerate consensus protocols that traditionally run on commodity servers. The benefits of using programmable network devices to run consensus protocols are twofold: The network switches process packets faster than commodity servers and consensus messages travel fewer hops in the network. It means that the system throughput is increased and the latency of requests is reduced. The evaluation of our network-accelerated consensus approach shows promising results. Individual components of our FPGA- based and switch-based consensus implementations can process 10 million and 2.5 billion consensus messages per second, respectively. Our FPGA-based system as a whole delivers 4.3 times performance of a traditional software consensus implementation. The latency is also better for our system and is only one third of the latency of the software consensus implementation when both systems are under half of their maximum throughputs. In order to drive even higher performance, we apply a partition mechanism to our switch-based system, leading to 11 times better throughput and 5 times better latency. By dynamically switching between software-based and network-based implementations, our consensus systems not only improve performance but also use energy more efficiently. Encouraged by those benefits, we developed a fault-tolerant non-volatile memory system. A prototype using software memory controller demonstrated reasonable overhead over local memory access, showing great promise as scalable main memory. Our network-based consensus approach would have a great impact in data centers. It not only improves performance of replication mechanisms which relied on consensus, but also enhances performance of services built on top of those replication mechanisms. Our approach also motivates others to move new functionalities into the network, such as, key-value store and stream processing. We expect that in the near future, applications that typically run on traditional servers will be folded into networks for performance